Thermal Considerations of a Power Converter with Components Embedded in Printed Circuit Boards

International audiencePrinted-Circuit-Board (PCB) technology is attractive for power electronic systems as it offers a low manufacturing cost for mass production. Integration technologies such as device embedding have been developed to take advantage of the inter-layer space in multi-layer PCBs and to increase the performances (Electrical, Thermal). However, the PCB technology offers limited power dissipation due to the low thermal conductivity (≈0.3 W/(m·K)) of its composite substrate. In this paper, we consider PCB embedding for a 3.3 kW AC/DC bidirectional converter. We describe the integration of not only the power dies, but also the gate drive circuits and the power inductor, with a special focus on the thermal management. The manufacturing processes of the boards are presented. Two thermal models based on finite elements (FE) of this converter stage are introduced. The accuracy of these models is validated against experiments. The results show that a simplified FE model offers satisfying accuracy and fast simulation, even considering the relatively complex structure and layout of the PCBs

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Book of abstracts of the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference: CHEMPOR 2008

This book contains the extended abstracts presented at the 10th International Chemical and Biological Engineering Conference - CHEMPOR 2008, held in Braga, Portugal, over 3 days, from the 4th to the 6th of September, 2008. Previous editions took place in Lisboa (1975, 1889, 1998), Braga (1978), Póvoa de Varzim (1981), Coimbra (1985, 2005), Porto (1993), and Aveiro (2001). The conference was jointly organized by the University of Minho, “Ordem dos Engenheiros”, and the IBB - Institute for Biotechnology and Bioengineering with the usual support of the “Sociedade Portuguesa de Química” and, by the first time, of the “Sociedade Portuguesa de Biotecnologia”. Thirty years elapsed since CHEMPOR was held at the University of Minho, organized by T.R. Bott, D. Allen, A. Bridgwater, J.J.B. Romero, L.J.S. Soares and J.D.R.S. Pinheiro. We are fortunate to have Profs. Bott, Soares and Pinheiro in the Honor Committee of this 10th edition, under the high Patronage of his Excellency the President of the Portuguese Republic, Prof. Aníbal Cavaco Silva. The opening ceremony will confer Prof. Bott with a “Long Term Achievement” award acknowledging the important contribution Prof. Bott brought along more than 30 years to the development of the Chemical Engineering science, to the launch of CHEMPOR series and specially to the University of Minho. Prof. Bott’s inaugural lecture will address the importance of effective energy management in processing operations, particularly in the effectiveness of heat recovery and the associated reduction in greenhouse gas emission from combustion processes. The CHEMPOR series traditionally brings together both young and established researchers and end users to discuss recent developments in different areas of Chemical Engineering. The scope of this edition is broadening out by including the Biological Engineering research. One of the major core areas of the conference program is life quality, due to the importance that Chemical and Biological Engineering plays in this area. “Integration of Life Sciences & Engineering” and “Sustainable Process-Product Development through Green Chemistry” are two of the leading themes with papers addressing such important issues. This is complemented with additional leading themes including “Advancing the Chemical and Biological Engineering Fundamentals”, “Multi-Scale and/or Multi-Disciplinary Approach to Process-Product Innovation”, “Systematic Methods and Tools for Managing the Complexity”, and “Educating Chemical and Biological Engineers for Coming Challenges” which define the extended abstracts arrangements along this book. A total of 516 extended abstracts are included in the book, consisting of 7 invited lecturers, 15 keynote, 105 short oral presentations given in 5 parallel sessions, along with 6 slots for viewing 389 poster presentations. Full papers are jointly included in the companion Proceedings in CD-ROM. All papers have been reviewed and we are grateful to the members of scientific and organizing committees for their evaluations. It was an intensive task since 610 submitted abstracts from 45 countries were received. It has been an honor for us to contribute to setting up CHEMPOR 2008 during almost two years. We wish to thank the authors who have contributed to yield a high scientific standard to the program. We are thankful to the sponsors who have contributed decisively to this event. We also extend our gratefulness to all those who, through their dedicated efforts, have assisted us in this task. On behalf of the Scientific and Organizing Committees we wish you that together with an interesting reading, the scientific program and the social moments organized will be memorable for all.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Energy: A continuing bibliography with indexes

This bibliography lists 1920 reports, articles, and other documents introduced into the NASA Scientific and Technical Information System from July 1, 1980 through September 30, 1980

Understanding Acoustics

This open access textbook, like Rayleigh’s classic Theory of Sound, focuses on experiments and on approximation techniques rather than mathematical rigor. The second edition has benefited from comments and corrections provided by many acousticians, in particular those who have used the first edition in undergraduate and graduate courses. For example, phasor notation has been added to clearly distinguish complex variables, and there is a new section on radiation from an unbaffled piston. Drawing on over 40 years of teaching experience at UCLA, the Naval Postgraduate School, and Penn State, the author presents a uniform methodology, based on hydrodynamic fundamentals for analysis of lumped-element systems and wave propagation that can accommodate dissipative mechanisms and geometrically-complex media. Five chapters on vibration and elastic waves highlight modern applications, including viscoelasticity and resonance techniques for measurement of elastic moduli, while introducing analytical techniques and approximation strategies that are revisited in nine subsequent chapters describing all aspects of generation, transmission, scattering, and reception of waves in fluids. Problems integrate multiple concepts, and several include experimental data to provide experience in choosing optimal strategies for extraction of experimental results and their uncertainties. Fundamental physical principles that do not ordinarily appear in other acoustics textbooks, like adiabatic invariance, similitude, the Kramers-Kronig relations, and the equipartition theorem, are shown to provide independent tests of results obtained from numerical solutions, commercial software, and simulations. Thanks to the Veneklasen Research Foundation, this popular textbook is now open access, making the e-book available for free download worldwide. Provides graduate-level treatment of acoustics and vibration suitable for use in courses, for self-study, and as a reference Highlights fundamental physical principles that can provide independent tests of the validity of numerical solutions, commercial software, and computer simulations Demonstrates approximation techniques that greatly simplify the mathematics without a substantial decrease in accuracy Incorporates a hydrodynamic approach to the acoustics of sound in fluids that provides a uniform methodology for analysis of lumped-element systems and wave propagation Emphasizes actual applications as examples of topics explained in the text Includes realistic end-of-chapter problems, some including experimental data, as well as a Solutions Manual for instructors. Features “Talk Like an Acoustician“ boxes to highlight key terms introduced in the text

Review of Particle Physics

The Review summarizes much of particle physics and cosmology. Using data from previous editions, plus 2,143 new measurements from 709 papers, we list, evaluate, and average measured properties of gauge bosons and the recently discovered Higgs boson, leptons, quarks, mesons, and baryons. We summarize searches for hypothetical particles such as supersymmetric particles, heavy bosons, axions, dark photons, etc. Particle properties and search limits are listed in Summary Tables. We give numerous tables, figures, formulae, and reviews of topics such as Higgs Boson Physics, Supersymmetry, Grand Unified Theories, Neutrino Mixing, Dark Energy, Dark Matter, Cosmology, Particle Detectors, Colliders, Probability and Statistics. Among the 120 reviews are many that are new or heavily revised, including a new review on Machine Learning, and one on Spectroscopy of Light Meson Resonances. The Review is divided into two volumes. Volume 1 includes the Summary Tables and 97 review articles. Volume 2 consists of the Particle Listings and contains also 23 reviews that address specific aspects of the data presented in the Listings

Review of Particle Physics

The Review summarizes much of particle physics and cosmology. Using data from previous editions, plus 2,143 new measurements from 709 papers, we list, evaluate, and average measured properties of gauge bosons and the recently discovered Higgs boson, leptons, quarks, mesons, and baryons. We summarize searches for hypothetical particles such as supersymmetric particles, heavy bosons, axions, dark photons, etc. Particle properties and search limits are listed in Summary Tables. We give numerous tables, figures, formulae, and reviews of topics such as Higgs Boson Physics, Supersymmetry, Grand Unified Theories, Neutrino Mixing, Dark Energy, Dark Matter, Cosmology, Particle Detectors, Colliders, Probability and Statistics. Among the 120 reviews are many that are new or heavily revised, including a new review on Machine Learning, and one on Spectroscopy of Light Meson Resonances. The Review is divided into two volumes. Volume 1 includes the Summary Tables and 97 review articles. Volume 2 consists of the Particle Listings and contains also 23 reviews that address specific aspects of the data presented in the Listings. The complete Review (both volumes) is published online on the website of the Particle Data Group (pdg.lbl.gov) and in a journal. Volume 1 is available in print as the PDG Book. A Particle Physics Booklet with the Summary Tables and essential tables, figures, and equations from selected review articles is available in print, as a web version optimized for use on phones, and as an Android app

Review of Particle Physics

The Review summarizes much of particle physics and cosmology. Using data from previous editions, plus 2,143 new measurements from 709 papers, we list, evaluate, and average measured properties of gauge bosons and the recently discovered Higgs boson, leptons, quarks, mesons, and baryons. We summarize searches for hypothetical particles such as supersymmetric particles, heavy bosons, axions, dark photons, etc. Particle properties and search limits are listed in Summary Tables. We give numerous tables, figures, formulae, and reviews of topics such as Higgs Boson Physics, Supersymmetry, Grand Unified Theories, Neutrino Mixing, Dark Energy, Dark Matter, Cosmology, Particle Detectors, Colliders, Probability and Statistics. Among the 120 reviews are many that are new or heavily revised, including a new review on Machine Learning, and one on Spectroscopy of Light Meson Resonances. The Review is divided into two volumes. Volume 1 includes the Summary Tables and 97 review articles. Volume 2 consists of the Particle Listings and contains also 23 reviews that address specific aspects of the data presented in the Listings. The complete Review (both volumes) is published online on the website of the Particle Data Group (pdg.lbl.gov) and in a journal. Volume 1 is available in print as the PDG Book. A Particle Physics Booklet with the Summary Tables and essential tables, figures, and equations from selected review articles is available in print, as a web version optimized for use on phones, and as an Android app.United States Department of Energy (DOE) DE-AC02-05CH11231government of Japan (Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology)Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)Physical Society of Japan (JPS)European Laboratory for Particle Physics (CERN)United States Department of Energy (DOE